Kuvassa on pilottikoeajon materiaalista valmistettuja vuokia. Kuva: VTT
Pakkaukset & MateriaalitehokkuusHarri KiiskinenJouni LattuKristian Salminen

Muovautuvan kartongin tutkimus on edennyt pilotointivaiheeseen

VTT:n koordinoima Piloting alternatives for plastics -hanke on koonnut laajan joukon suomalaisia ja kansainvälisiä yrityksiä, jotka vievät laboratorioissa kehitettyjä materiaaleja kohti teollista tuotantoa

Keväällä 2020 alkaneessa ja kolme ja puoli vuotta kestävässä hankkeessa pilotointeja toteutetaan VTT:llä Jyväskylässä, jossa on käytettävissä muun muassa maailman ensimmäinen vaahtorainausprosessia hyödyntävä tutkimusympäristö. Pilotointikohteiksi on valittu kuitupohjaiset materiaalit, joilla voidaan korvata esimerkiksi elintarvikepakkauksissa, suodattimissa, tekstiileissä sekä pyyhintä-, hygienia- ja rakennusmateriaaleissa käytettäviä muoveja.

VTT:llä on käytössä Jyväskylässä koepaperikone ja maailman ensimmäinen vaahtorainausprosessia hyödyntävä tutkimusympäristö. Kuva: VTT

Uusien materiaalien tutkimuksessa haasteena on valita runsaista raaka-aine- ja valmistusvaihtoehdoista mielenkiintoisimmat ja lyhentää aikaa, joka kuluu laboratoriomittakaavassa saatujen tulosten skaalaamisessa kaupalliseen tuotantomittakaavaan. Hankkeen kehitystyön tuloksena saadaan asiantuntemusta erilaisista raaka-aineista, laitteista ja valmistusteknologioista. Kehitystyön pohjalta yritykset voivat siirtyä erilaisten ratkaisujen tuotekehitysvaiheeseen yritysvetoisissa hankkeissa.

Kartongin muovautuvuus on parantunut

Uusien materiaalien kehitystyö käynnistyy usein laboratoriossa, jossa voidaan pienessä mittakaavassa valmistaa materiaaleja edullisesti hyvin monenlaisista raaka-aineista ja testata materiaalien ominaisuuksia kuten venymää. Kynnys siirtyä laboratoriosta tuotantomittakaavaan on varsin iso, sillä pilottimittakaavan tutkimus on perinteisesti vaatinut vähintään tuhat kiloa kuituraaka-aineita. VTT:n piloteilla tätä kynnystä on madallettu. Erilaisia kuiturainoja voidaan valmistaa lähes teollista tuotantoa vastaavissa olosuhteissa parhaimmillaan alle sadasta kilosta kuituja.

Paperi ja kartonki ovat varsin keveitä ja lujia materiaaleja, ja painoonsa suhteutettuna puukuidun lujuus ylittää teräksen lujuuden. Lujuuden vastapainona on kuitenkin varsin alhainen venymä. Tyypillisesti paperin ja kartongin venymä on vain muutamia prosentteja, ja venymää lisättäessä materiaali repeää. Kartongin venyvyyttä pitää parantaa muutamasta prosentista 20–30 prosenttiin, jotta kartonkia voitaisiin käyttää esimerkiksi erilaisissa leikkelepakkauksissa muovin sijaan. Muovattava kartonki on yksi Piloting alternatives for plastics -hankkeen (PAfP) pilotointikohteista.

Yksi PAfP-hankkeen ensimmäisistä pilotointijaksoista kohdistui muovattavan kartongin valmistukseen. Pilottivaihetta edelsi laboratoriotutkimus, jossa valmistettiin erilaisilla arkkimuoteilla erä kartonkeja erilaisista raaka-aineista. Osa kartongeista oli täysin selluloosapohjaisia, osassa käytettiin pieniä määriä pitkiä synteettisiä kuituja venymän lisäämiseen ja lämpömuovausominaisuuksien parantamiseen.

Laboratoriossa kehitetyistä materiaaleista kolme lupaavinta valittiin mukaan pilottikoeajoon, joka toteutettiin VTT:n paperin ja kartongin tutkimusympäristössä Jyväskylässä tammikuussa 2021. Koeajossa jokaisesta materiaalista valmistettiin noin kilometrin pituinen rulla, jolle tehtiin muokattavuutta lisäävä käsittely alihankintana.

Suurin pilottikokeissa saavutettu venymä oli lähes 30 prosenttia, joka mahdollistaa parhaillaan noin 25–30 millimetrin syvyisen pakkauksen valmistamisen syvävetämällä. Näytemateriaalien muovautuvuutta analysoitiin LUT yliopiston Pakkaustekniikan laboratoriossa. Tutkimustyössä hyödynnettiin Pakkaustekniikan tutkimusryhmän kehittämää ja rakentamaa ja erityisesti kuitupohjaisten materiaalien testaukseen räätälöityä puristusmuovauslaitteistoa.

Syvävedossa maksimisyvyyteen vaikuttavat merkittävästi kappaleen pituus ja leveys. Pienehköllä muodolla täysin selluloosapohjaisesta PAfP-hankkeen materiaalista saatiin 15 millimetriä syvä muoto, jota voidaan pitää erittäin hyvänä tuloksena. Suuremmalla muodolla samasta materiaalista saatiin muovattua jopa 45 millimetriä syvä muoto, kun sallittiin reuna-alueiden liukuminen, mutta toisaalta materiaalin merkittävää rypistymistä ei sallittu.

Biohajoavia pakkauskalvoja kehitetään

Fossiilipohjaisten materiaalien laaja-alainen käyttö on johtanut merkittäviin ympäristöongelmiin, koska kierrätysjärjestelmien ulkopuolelle jäävä pakkausmateriaali kulkeutuu luontoon. Tämä ongelma on korostunut viime aikoina entisestään, sillä covid-19-kriisin aikana hygieenisten pakkausmateriaalien tarve on kasvanut voimakkaasti erityisesti elintarvike- ja ravintola-aloilla sekä terveydenhuollossa.

Lisääntynyt jätteen määrä näkyy ympäristön roskaantumisena erityisesti kaupungeissa. Ympäristöystävällisiä materiaaleja tarvitaan nyt ja jatkossa perinteisten fossiilipohjaisten muovimateriaalien tilalle sovelluksiin, joissa kierrätys ei hygienia- tai muista syistä ole mahdollista. Erilaiset muovikalvot ja -pussit päätyvät usein roskiksi luontoon.

VTT ja LUT valmistelevat parhaillaan Films for Future -hanketta (F3), jossa pyritään ratkaisemaan tätä ongelmaa kehittämällä biohajoavia kalvoja pakkaus- ja elintarvikesovelluksiin hyödyntäen selluloosan liuottamiseen ja regenerointiin perustuvia teknologioita.

Hankkeessa skaalataan laboratoriossa kehitettyjä prosesseja pilottimittakaavaan VTT:n uutta pilot-kalvolinjaa hyödyntäen. Kalvoille kehitetään kierrätykseen soveltuvia suojapinnoitteita pakkausominaisuuksien säätämiseksi ja tutkitaan näiden biohajoamista ja fraktioinnin mahdollisuuksia. Hankkeessa selvitetään valmistettujen suojakalvojen sopivuutta pakkauksiin tutkimalla niiden suorituskykyä LUTin pakkauslinjalla ja lopputuotteena.


Ruokapakkausten 200 miljardin euron markkinat

Maailman pakkausmarkkinat ovat kooltaan noin 600 miljardia euroa, josta elintarvikepakkausten osuus on yli 200 miljardia euroa. Ruokaa on pakattu kehittyneessä maailmassa teollisesti nyt reilun sadan vuoden ajan: alussa pääsääntöisesti metalliin ja lasiin, myöhemmin myös paperiin ja kartonkiin ja viimeiset 60 vuotta yhä useammin muoviin. Tällä hetkellä maailman muovisten elintarvikepakkausten markkina on noin 60–70 miljoonaa tonnia, eli liikevaihtona reilut 100 miljardia euroa.

Eri muovilaadut ovat saaneet jalansijaa markkinoilla hyvillä teknisillä ominaisuuksillaan jo useiden vuosikymmenien ajan. Muovien hyvä menestys on perustunut pakkausten aktiivisen käyttöiän aikaiseen suorituskykyyn ja kykyyn suojata elintarviketta kuluttajan käyttäjäkokemukseen asti. Muovit on perinteisesti valmistettu fossiilisista lähteistä: raakaöljystä ja maakaasusta.

Viime vuosina kuluttajien ja median huomio on kiinnittynyt myös pakkausten ympäristöllisiin näkökohtiin ja pakkauksen elinkaaren alku- ja loppupäähän. Vaatimukset korvaavien pakkausmateriaalien kehityksestä ovat nostaneet päätään, ja pakkaava teollisuus on kysynyt puukuitupohjaisten materiaalien soveltuvuudesta muovien osittaiseen korvaamiseen.

Teollisuus ei pysty korvaamaan koko 60 miljoonan tonnin muovipakkausmäärää suoraan kartongilla. VTT on osaltaan lähtenyt hakemaan rajoja, miten pitkälle ja mihin sovelluksiin puusellun johdannaisten suorituskyky voisi jatkossa riittää. Maailmanlaajuisesti joitakin miljoonia tonneja voisi korvata uusilla puukuitumateriaaleilla niin, että elinkaaren ääripäät tulevat huomioitua kuluttajaa ja paikallista kierrätysjärjestelmää tyydyttävällä tavalla.

Hankkeen 55 yrityksestä 17 Suomesta

  • Piloting alternatives for plastics –hanke käynnistyi 1.4.2020, ja se päättyy 31.3.2023. Sen kokonaisbudjetti on 6,7 miljoonaa euroa.
  • Hanke toteutetaan Keski-Suomen liiton koordinoiman Euroopan aluekehitysrahaston (EAKR), VTT:n ja yritysten rahoituksella.
  • Hankkeeseen osallistuu 55 yritystä Suomesta ja muualta maailmasta. Suomesta on mukana 27 yritystä, joista 17 on pieniä ja keskisuuria yrityksiä.
  • Hankkeessa on mukana useita elintarvikepakkausten arvoketjuun kuuluvia toimijoita.